基于ADSP-BF609的汽車前向防撞系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　

作者 曹景勝1 石晶1 單鵬1 郭銀景2

　　1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院(遼寧 錦州 121001)

　　2.山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院(山東 青島 266590)

　　*基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳重大科技平臺(tái)資助項(xiàng)目——基于機(jī)器視覺(jué)的汽車前向碰撞預(yù)警(FCW)主動(dòng)安全系統(tǒng)研發(fā)(編號(hào)：JP2016014)

　　曹景勝(1984-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能汽車電子系統(tǒng)與汽車主動(dòng)安全技術(shù)。

摘要：以攝像頭采集的視頻圖像為輸入，以ADSP-BF609微處理器為運(yùn)算處理核心，詳細(xì)描述了汽車前向防撞主動(dòng)安全輔助系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)和各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)，并研制了樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，電路設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定，為汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的研究和開(kāi)發(fā)提供了硬件平臺(tái)。

0 引言

　　汽車作為人們出行的重要交通工具得到了快速發(fā)展，但是隨之而來(lái)的交通事故也頻繁發(fā)生^[1]，其中由于駕駛員反應(yīng)不及時(shí)、操作不當(dāng)、疲勞駕駛等導(dǎo)致的汽車前向追尾是造成交通事故的最主要原因之一。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems，簡(jiǎn)稱ADAS)已經(jīng)成為當(dāng)前汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^[2-3]，ADAS主要包括汽車前向防撞預(yù)警系統(tǒng)(FCWS)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)(LDWS)、行人檢測(cè)(PED)等。其中汽車前向防撞預(yù)警系統(tǒng)在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中具有非常重要的作用，其利用安裝在汽車上的攝像頭，在第一時(shí)間采集前車視頻信號(hào)^[4]，并進(jìn)行圖像處理、識(shí)別、測(cè)距，從而提示駕駛員察覺(jué)潛在的危險(xiǎn)，提高汽車行駛主動(dòng)安全性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)以微控制器ADSP-BF609芯片為硬件平臺(tái)核心，汽車前端安裝高精度數(shù)字?jǐn)z像頭，實(shí)時(shí)采集前車視頻圖像，并運(yùn)行圖像處理、識(shí)別、測(cè)距算法計(jì)算汽車與前方車輛或者障礙物距離，若與前方車輛或者障礙物距離低于安全距離時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行聲光電預(yù)警，提醒駕駛員集中注意力，能夠提前預(yù)判汽車行駛工況，做出有利措施，提高行車安全系數(shù)。總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用的前端傳感器為攝像頭，基于視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行前向汽車的識(shí)別與測(cè)距，因此系統(tǒng)的核心處理器必須采用高性能的芯片，才能完成實(shí)時(shí)的運(yùn)算處理功能。設(shè)計(jì)中采用了ADI公司的ADSP-BF609 Blackfin處理器。外圍配以車載電源電路、視頻采集電路、視頻顯示電路、語(yǔ)音告警電路、串口調(diào)試電路等。其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　2.1 ADSP-BF609芯片配置

　　ADSP-BF609 Blackfin處理器針對(duì)嵌入式視覺(jué)和視頻分析應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，內(nèi)部集成了雙核定點(diǎn)DSP處理器和獨(dú)特的流水線視覺(jué)處理器(PVP)。PVP是靠近Blackfin內(nèi)核的一組功能模塊，專為加快圖像處理算法和降低整體帶寬要求而設(shè)計(jì)^[5]。由于具有以上的優(yōu)點(diǎn)，使得BF609微處理器適用于汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、工業(yè)制造系統(tǒng)中的機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器人等領(lǐng)域。

　　BF609微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器包括L1和L2兩類存儲(chǔ)器，其中L1存儲(chǔ)器分為64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域和80 KB的指令存儲(chǔ)區(qū)域;設(shè)計(jì)中將Core0內(nèi)核的地址0XFF800000開(kāi)始的16 KB區(qū)域配置成SRAM，將Core1內(nèi)核的地址0XFF610000開(kāi)始的16 KB區(qū)域配置成Cache，通過(guò)2組配置的分組關(guān)聯(lián)指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存大大加快了存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度。

　　BF609微處理器在復(fù)位后，其引導(dǎo)模式由專用SYS_BMODE輸入引腳決定，由復(fù)位配置寄存器的SYS_BMODE位來(lái)實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)模式如表1所示。本設(shè)計(jì)中由于BF609微處理器最小系統(tǒng)外擴(kuò)展了2M 16bit的SST39VF3201 NOR FLASH存儲(chǔ)芯片，因此將引導(dǎo)模式配置成存儲(chǔ)器引導(dǎo)加載。

　　2.2 車載電源電路

　　本系統(tǒng)是汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中的一種，屬于車載設(shè)備范圍，考慮汽車環(huán)境電源為12 V直流電實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了車載電源電路。采用LM2596S-5.0電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償，使得輸出的電壓誤差在 范圍內(nèi)，具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，輸入電源為車載12 V直流電，通過(guò)該電路轉(zhuǎn)換出的5 V直流電供下一級(jí)電路使用，其電路原理圖如圖3所示。

　　2.3 視頻采集電路

　　硬件設(shè)計(jì)中采集前車視頻圖像的傳感器選用的是具有300萬(wàn)像素的OV3640數(shù)字?jǐn)z像頭，如圖4所示，其通過(guò)I²C總線與BF609微處理器的雙線串行(TWI)接口相連形成控制通道，主要用于配置攝像頭寄存器。攝像頭采集的視頻圖像數(shù)據(jù)流輸入到BF609微處理器上的高速并行外設(shè)接口(PPI)接口進(jìn)行運(yùn)算處理。接口電路圖如圖5所示。

　　2.4 視頻顯示電路

　　本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)定位在車載應(yīng)用，設(shè)計(jì)中采用的是數(shù)字式視頻采集傳感器和視頻顯示器件，因此并未涉及模擬轉(zhuǎn)數(shù)字遇到的編解碼問(wèn)題，這也符合車載電子設(shè)備設(shè)備體積小、低功耗、便攜式等特點(diǎn)。具體到視頻顯示電路采用的是車載4.3寸TFT液晶顯示屏，其具有寬工作溫度范圍、供電電壓低、無(wú)閃爍、便于集成等優(yōu)點(diǎn)^[6]，考慮到夜晚行車的具體工況，設(shè)計(jì)中采用MIC8827芯片進(jìn)行液晶屏的背光驅(qū)動(dòng)，該芯片為1.2 MHz的PWM白光LED驅(qū)動(dòng)器。將經(jīng)過(guò)BF609微處理器運(yùn)算處理后的前車測(cè)距圖像顯示到該液晶顯示屏，供汽車駕駛員隨時(shí)了解和掌握。其電路原理圖如圖6所示。

　　2.5 語(yǔ)音告警電路

　　汽車行駛過(guò)程中當(dāng)與前車距離低于安全距離時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)給出預(yù)警，設(shè)計(jì)中采用了語(yǔ)音告警機(jī)制，選用了ISD1820錄放芯片，該芯片內(nèi)置喇叭驅(qū)動(dòng)放大電路，能夠自動(dòng)節(jié)電，電流可低至0.5 μA。將ISD1820錄放芯片的控制使能端連接至BF609微處理器的中斷引腳，當(dāng)預(yù)警發(fā)生時(shí)，通過(guò)觸發(fā)中斷進(jìn)行控制輸出之前錄制好的告警語(yǔ)音信息。其電路圖如圖7所示。

　　2.6 串口調(diào)試電路

　　本系統(tǒng)硬件除了設(shè)計(jì)了各個(gè)功能電路外，還針對(duì)硬件交互以及隨后在電腦端進(jìn)行控制信息打印等調(diào)試應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于RS232串口的調(diào)試電路，將DB9串口頭通過(guò)MAX3232雙向轉(zhuǎn)換芯片與BF609的UART1引腳進(jìn)行相連接，完成TTL電平到RS232電平的互相轉(zhuǎn)換。其電路原理圖如圖8所示。

3 樣機(jī)研制與測(cè)試

　　本系統(tǒng)硬件平臺(tái)經(jīng)過(guò)原理圖設(shè)計(jì)、PCB布板以及加工焊接，已經(jīng)研制完畢，其實(shí)物圖如圖9所示。

　　通電后進(jìn)行NOR FLASH引導(dǎo)加載，使用攝像頭采集電腦上事先錄制好的基于Carsim汽車仿真軟件模擬的道路行車視頻，然后通過(guò)PPI接口傳輸給BF609微處理器，經(jīng)過(guò)處理后顯示到4.3寸TFT液晶顯示屏上，視頻顯示流暢，達(dá)到預(yù)期的硬件功能設(shè)計(jì)目標(biāo)。測(cè)試如圖10所示。

4 結(jié)論

　　針對(duì)汽車追尾引起道路交通事故的安全問(wèn)題，基于ADSP-BF609 Blackfin處理器研究了汽車前向防撞預(yù)警系統(tǒng)，并詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)和各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)。研制了樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明硬件設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)提供了硬件平臺(tái)。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第36頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。